10.2. Carstul și golurile subterane

Intuiție

Calcarul este o rocă tare, dar apa îl sapă pe dinăuntru, de-a lungul fisurilor. Golul nu se vede de sus; se vede doar groapa, în ziua în care tavanul lui nu mai ține. Sub un amplasament pe calcar, întrebarea nu este cât de rezistentă este roca, ci dacă este plină.

Carstul (karst) este ansamblul formelor de relief și al golurilor subterane rezultate din dizolvarea rocilor solubile de către apa de infiltrație și de circulație subterană. Rocile carstificabile cel mai frecvent întâlnite – calcarele, dolomitele, gipsul și sarea – au fost descrise petrografic în Secțiunea 3.4.4; dintre acestea, gipsul și sarea se dizolvă de ordine de mărime mai repede decât calcarul, astfel încât carstul în evaporite se dezvoltă și evoluează la scară de zeci de ani, nu de mii sau zeci de mii de ani, cu implicații directe asupra siguranței construcțiilor (Ford și Williams, 2007). Dizolvarea calcarului urmează reacția reversibilă

\[ \ce{CaCO3 + CO2 + H2O <=> Ca^2+ + 2HCO3-}, \]

deplasată spre dreapta de excesul de \(\ce{CO2}\) dizolvat în apa de infiltrație (provenit din atmosferă și din descompunerea materiei organice din sol) și accelerată de circulația activă a apei, de fisurarea rocii și de panta hidraulică ridicată.

Formele carstice de suprafață și de adâncime, ilustrate în Figura 10.3, se dezvoltă etajat, în funcție de poziția nivelului carstic (echivalentul freatic al masivelor carstificate): în zona vadoasă, deasupra nivelului carstic, circulația apei este predominant verticală, prin fisuri lărgite (lapiezuri la suprafața rocii goale) și prin conducte verticale (avene), iar dizolvarea este activă; în zona saturată, sub nivelul carstic, circulația este predominant orizontală, golurile sunt permanent inundate, iar dizolvarea este mai lentă. Dolinele sunt depresiuni închise, de la câțiva metri la sute de metri în diametru, formate fie prin dizolvare directă la suprafață, fie prin prăbușirea unei cavități subiacente; un ponor este punctul în care un curs de apă de suprafață se pierde în masivul carstic, iar un izbuc este punctul de resurgență, la baza masivului, unde apa carstică revine la suprafață, adesea cu debite mari și foarte variabile. Rețelele de peșteri (galerii și săli) se dezvoltă de-a lungul discontinuităților și a straturilor cu solubilitate mai mare, iar acolo unde carstul este acoperit de un strat necarstificabil (argile reziduale, terra rossa) vorbim de carst acoperit (covered/mantled karst) – situația cea mai frecventă și cea mai insidioasă din punct de vedere geotehnic, deoarece golurile din masivul carstic nu sunt vizibile la suprafață.

Figura 10.3 Forme carstice de suprafață și de adâncime: lapiezuri, dolină, aven, ponor, peșteră, izbuc; zonarea verticală vadoasă/saturată în raport cu nivelul carstic (schematic).

Riscul geotehnic principal asociat carstului acoperit este prăbușirea bruscă a suprafeței (sinkhole collapse), care se produce în trei etape (Figura 10.4): infiltrațiile concentrate (ploi, conducte sparte, pompări din foraje, iazuri de decantare) antrenează prin sufoziune particulele fine ale acoperișului necoeziv (nisip, praf, umplutură) în cavitatea carstică subiacentă; golul astfel creat migrează treptat spre suprafață, pe măsură ce bolta lui se autosusține tot mai greu, proces care poate dura de la câțiva ani la câteva decenii; în final, atunci când grosimea acoperișului rămas devine insuficientă, are loc prăbușirea bruscă a suprafeței, cu formarea unui crater cu diametrul de la câțiva metri la zeci de metri, în câteva ore. Caracterul practic instantaneu al ultimei etape, după o perioadă lungă de aparentă stabilitate, face din sinkhole-uri unul dintre cele mai periculoase accidente geologice pentru construcții (Waltham et al., 2005). Un exemplu clasic al dificultăților pe care carstul le creează construcțiilor hidrotehnice este barajul Hales Bar de pe râul Tennessee (SUA), construit pe calcare carstificate insuficient investigate: pierderile de apă prin fundație au cerut decenii de lucrări de etanșare (Frink, 1946), iar barajul a fost în cele din urmă abandonat și înlocuit.

Figura 10.4 Formarea unei prăbușiri carstice (sinkhole) prin sufoziune și migrarea golului spre suprafață (după Waltham et al., 2005, simplificat).

În România, carstul dezvoltat pe calcare este bine reprezentat în Munții Apuseni, Munții Pădurea Craiului și Munții Banatului, unde ocupă suprafețe extinse cu peșteri, doline și avene, iar carstul în evaporite – de dezvoltare mai rapidă și mai relevant pentru siguranța construcțiilor – este documentat la exploatările de sare de la Ocnele Mari, unde surparea controlată a unor camere de exploatare a fost monitorizată microseismic (Trifu și Shumila, 2010), și la Ocna Mureș, unde instabilitatea suprafeței asociată exploatării sării a fost analizată de Arad (2012). Investigarea maselor carstice acoperite, atunci când amplasamentul o impune, folosește în primul rând metodele geofizice – tomografia de rezistivitate electrică și georadarul, capabile să identifice anomalii de rezistivitate sau goluri până la adâncimi de ordinul zecilor de metri (Secțiunea 9.4.2) – coroborate cu rețele dense de foraje de control și cu monitorizarea nivelului carstic prin piezometre (Secțiunea 9.5.1); date hidrogeologice detaliate despre circulația apei în masivele carstice și impactul lucrărilor hidrotehnice asupra regimului carstic sunt sintetizate de Milanović (2004).